Energia e Desenvolvimento Sustentável
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Conteúdo
1
O que é energia? 11
2
Energia e atividades humanas, 15
3
As fontes inesgotáveis de energia, 19
3.1
Energia solar, 20
3.2
Energia geotérmica, 21
3.3
Energia das marés, 22
4
Consumo atual de energia e tendências, 25
5
Os problemas do atual sistema energético, 31
5.1
Exaustão das reservas, 31
5.2
Segurança de abastecimento, 34
5.3
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Impactos ambientais, 35 5.3.1 Poluição local, 37 5.3.2 Poluição regional, 39 5.3.3 Poluição global, 40
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Energia e Desenvolvimento Sustentável
6
O caminho para um desenvolvimento sustentável, 45
6.1
O aumento da eficiência energética, 45
6.2
Energias renováveis, 49
6.3
As novas tecnologias, 51
6.4
Energia nuclear, 53
7
Energia para um desenvolvimento sustentável, 59
8
Conclusão, 63
Apêndice I
Biomassa, 65
Energia solar fotovoltaica, 70
Pequenas centrais hidroelétricas (PCHs), 73
Energia solar térmica, 74
Energia eólica, 78
Apêndice II
Apêndice III
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O programa de etanol no Brasil, 81
Unidades de trabalho, energia e potência, 91
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O que é energia?
1 O que é energia?
Energia (do grego enérgeia, atividade) é usualmente definida como a capacidade de realizar trabalho mecânico, deslocando, por exemplo, um objeto de uma posição para outra por meio da aplicação de uma força. Para os seres humanos, que vivem num planeta que atrai todos os corpos para o centro da Terra em virtude da força gravitacional, a energia é fundamental para nos movimentarmos. A própria ideia de movimento e, portanto, de energia é ligada intimamente ao que se entende como seres vivos. Uma definição mais geral de energia é: capacidade de produzir transformações num sistema. Essa capacidade pode envolver transformações mecânicas ou transformações físicas, químicas e biológicas. A expansão de um gás (e sua capacidade de produzir trabalho), uma queda d’água, a combustão de um hidrocarboneto como o petróleo, a geração de biogás na decomposição de matéria, o uso de uma corrente elétrica para fazer girar um motor são exemplos dessas transformações. A energia pode se manifestar de diversas formas, entre as quais podemos mencionar: • Energia de radiação. • Energia química. • Energia nuclear.
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Energia e atividades humanas
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2 Energia e atividades humanas
A menor quantidade de energia média necessária para um ser humano adulto permanecer vivo é aproximadamente 1 mil kcal por dia (1 kcal = 1.000 cal). Para um adulto com atividades normais, ela é de aproximadamente 2 mil kcal por dia1. Para um homem que realiza um trabalho manual pesado, são necessárias 4 mil kcal por dia. A Tabela 1 mostra as necessidades energéticas para uma variedade de tarefas humanas. Os estágios de desenvolvimento, desde o homem primitivo, há um milhão de anos, até o homem tecnológico de hoje, exigiram quantidades crescentes de energia, como indicado na Figura 2.1, que mostra o consumo diário de energia per capita para seis estágios no desenvolvimento humano: • O homem primitivo (Leste da África, aproximadamente há um milhão de anos) sem o uso do fogo dispunha apenas da energia dos alimentos que ingeria (2 mil kcal/dia). • O homem caçador (Europa, aproximadamente há um milhão de _ 1 Um ser humano consome 2,3 kwh (8.360.000 joules) em 24 horas, o que corresponde aproximadamente a uma potência de 100 watts durante 24 horas; 100 watts é a potência de uma lâmpada incandescente típica.
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As fontes inesgotáveis de energia
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3 As fontes inesgotáveis de energia
A energia disponível ao homem na superfície da Terra tem sua origem em quatro fontes distintas: • a energia radiante emitida pelo Sol (com uma potência da ordem de 174.000 × 1012 watts) que dá origem aos combustíveis fósseis, à biomassa, aos ventos e potenciais hidráulicos; • a energia geotérmica que se origina do interior do planeta (32 × 1012 watts). • a energia proveniente das interações gravitacionais com a Lua e com o Sol (potência de 3 × 1012 watts) • a energia nuclear (cujos recursos são abundantes, porém exauríveis). Após passar por várias transformações (atrito, degradação térmica etc.), a energia dessas fontes acaba por se transformar em calor na temperatura ambiente e é enviada de volta ao espaço sob a forma de radiação térmica. É por essa razão que a temperatura da superfície da Terra se mantém constante: perturbações mais sérias nesse delicado equilíbrio (como, por exemplo, a produção de enormes quantidades adicionais de calor, por meio de reatores nucleares) introduziriam uma nova fonte de calor, que poderia perturbar o equilíbrio, fazendo a
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Consumo atual de energia e tendências
4 Consumo atual de energia e tendências
A figura abaixo mostra quais fontes de energia primária são usadas hoje pela humanidade. A energia primária é submetida a transformações gerando a energia secundária, que é efetivamente consumida pelo homem, satisfazendo suas necessidades:
Petróleo 33,34%
Carvão 27,29%
Biomassa tradicional 7,90%
Gás natural 20,42% Nuclear 6,03%
Biomassa Moderna Bioetanol Biodiesel Bioeletricidade Calor
EJ
%
1,7 0,5 3,6 3,7
0,32 0,09 0,70 0,71
Biomassa Geotérmica Vento Solar Marés PCH Grandes Moderna 0,64% 0,16% 0,11% 0,00% 0,24% Hidros 1,83% 2,06% Novas renováveis 2,96% Renováveis modernas 5,03%
Figura 7 – Demanda mundial de energia primária (2008) Partes de 516 EJ. Fonte: Referência [2].
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Os problemas do atual sistema energético
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5. Os problemas do atual sistema energético
Existem três problemas que mostram claramente que a atual rota de desenvolvimento baseada no consumo de combustíveis fósseis não é sustentável: • Exaustão das reservas • Segurança de abastecimento • Impactos ambientais
5.1 Exaustão das reservas As reservas de petróleo, gás natural e carvão são finitas e devem se esgotar dentro de 41, 64 e 241 anos respectivamente. Muito antes disso, contudo, a produção mundial dessas fontes de energia começarão a dar sinais de exaustão. A Figura 5.1 mostra o declínio de produção do petróleo em inúmeros países do mundo. Com isso, está aumentando a dependência do fornecimento de petróleo dos países da Opep (Organização dos Países Exportadores de Petróleo), a maioria dos quais se situa no Oriente Médio (Figura 5.2). Parte dos recursos são as reservas, quantidades determinadas ou estimadas para os depósitos naturais de energéticos em um dado local, com base em prospecções (geológicas, hidrológicas, de regime de ven-
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Os problemas do atual sistema energético
Mais que 8.000
830
3.000
900
18.000
4.380 1.040 850
Figura 5.4 – Fluxos de petróleo.
Fonte: Referência [3].
5.3 Impactos ambientais O meio ambiente muda continuamente em decorrência de causas naturais sobre as quais temos pouco ou nenhum controle. As estações do ano são as mais evidentes dessas mudanças, principalmente nas regiões de grandes latitudes (Norte ou Sul). Há muitas outras variações naturais, que se devem a alterações das manchas solares na superfície do Sol, a erupções vulcânicas, terremotos, furacões, inundações e queimadas em florestas, que afetam o meio ambiente. O consumo de energia pelo homem é, porém, a principal origem de grande parte dos impactos ambientais, em todos os níveis. Em uma escala micro, desencadeou, por exemplo, doenças respiratórias, com o uso primitivo de lenha. Num nível macro, é a principal fonte das emissões de gases de efeito estufa, que intensifica as mudanças climáticas e causa perda de biodiversidade. Em algumas situações, a energia não tem um papel dominante, mas ainda assim é importante: é o caso, por exemplo, da degradação costeira e marinha, devida, em parte, a vazamentos de petróleo e outros desastres ambientais (Tabela 5.2). A vida sobre a Terra tem mostrado uma resistência surpreendente em suportar essas variações no meio ambiente, e a humanidade, em particu-
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O caminho para um desenvolvimento sustentável
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6 O caminho para um desenvovimento sustentável
As soluções para a exaustão dos combustíveis fósseis e os problemas decorrentes do seu uso (segurança de abastecimento e problemas ambientais) podem ser classificadas em quatro categorias: a) Produção e uso mais eficiente da energia nos transportes, nos processos de produção e nas construções. b) Utilização crescente de energias renováveis; c) Desenvolvimento e utilização de novas tecnologias, em especial as baseadas no uso de combustíveis fósseis que resultem em emissões reduzidas. d) Energia nuclear, se forem resolvidos os problemas relacionados com a disposição final dos resíduos radioativos.
6.1 O aumento da eficiência energética Entre o potencial que existe para melhorar a eficiência energética segundo as leis de termodinâmica e o potencial de mercado existem várias etapas intermediárias: • O potencial teórico representa o que se pode atingir com base em considerações termodinâmicas sobre os serviços decorrentes do uso de energia (como o ar-condicionado ou a produção de aço).
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O caminho para um desenvolvimento sustentável
Produção convencional de energia
Eletricidade
Turbina
Caldeira
Gerador
Produção atômica de energia
Eletricidade
Turbina
Gerador
Reator
Figura 6.5 – Representação esquemática de uma central termelétrica convencional e de uma central atômica.
Fonte: Referência [2], [9].
neos profundos, contidos em cimento, betume e resinas ou vitrificação e armazenagem em formações geológicas estáveis em terra firme ou no leito do mar. Não há ainda um depósito definitivo para esses materiais. Sob o ponto de vista ambiental, a energia nuclear é frequentemente apresentada por seus defensores como uma alternativa eficiente para o problema das emissões de gases de efeito estufa. Por outro lado, os ambientalistas em geral se opõem aos reatores nucleares por conta dos riscos de acidentes, das incertezas no gerenciamento dos resíduos e dos perigos da proliferação de armas atômicas.
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O caminho para um desenvolvimento sustentável
7 Energia para um desenvovimento sustentável
A energia é essencial para as atividades humanas, e o bem-estar de que goza hoje uma parte significante da humanidade é baseada no uso de mais de 10 bilhões de toneladas equivalentes de petróleo (cerca de 500 Exajoules). Para que essa situação se mantenha e incorpore a parte da humanidade que ainda não tem acesso à energia necessária para assegurar seu progresso, quantidades maiores de energia serão necessárias. Com isso, se agravarão os problemas que discutimos nos capítulos anteriores, caso as fontes de energia usadas sejam combustíveis fósseis e a eficiência com que são transformadas em energia útil seja baixa. É possível produzir cenários do que o futuro nos reserva tomando como base diferentes hipóteses que incorporem maior eficiência energética e adoção de novas tecnologias. Esses cenários não conseguem captar todos os aspectos do complexo problema de determinar como a energia será usada no futuro, mas podem nos dizer como esse futuro será se determinadas hipóteses se confirmarem. A Figura 7.1 mostra os resultados de uma variedade de cenários. Os cenários A, B e C representam respectivamente crescimento econômico, alto, médio e um cenário ecológico. As características principais desses cenários são apresentada na Tabela 7.1.
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Energia e Desenvolvimento Sustentável
80.000 72,41
70.000 59,25
60.000
Energia (EJ)
50.000
43,72
40.000
áveis renov Total
30.000
25,45
20.000
17,27
10.000
18,30
8,29
9,21
8,98
9,09
as
odern
m váveis Reno
20,38
32,04
15,33 11,09
10,12
13,16
11,68
Grande hidrelétricas
9,29
0.000 1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
Ano
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2928
2030
Figura – 7.3
Uma projeção da contribuição das energias renováveis até 2030, usando essas taxas de crescimento, mostra que elas poderiam representar quase 20% do consumo total de energia até 2030. Existem projeções mais otimistas que permitem prever um sistema energético para 2050 em que 50% da energia usada será produzida com fontes renováveis.
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Apêndice I
8 Conclusão
Do ponto de vista técnico, existem soluções que permitem construir um futuro energético mais sustentável do que o atual. Nos países industrializados, onde o nível de consumo de energia é muito elevado, a eficiência energética ainda pode melhorar muito e reduzir a energia necessária para alimentar os atuais padrões de consumo. Já nos países em desenvolvimento, onde o consumo per capita é baixo, as necessidades de desenvolvimento econômico (e da população) vão aumentar. O que é fundamental é que junto com esse desenvolvimento venham tecnologias mais limpas e eficientes e, na medida do possível, energia renovável, que é o único caminho adequado para um desenvolvimento sustentável. Isso está ocorrendo em maior ou menor grau num grande número de países, mas ainda não na escala necessária. É pertinente mencionar aqui que uma característica fundamental das energias renováveis é que elas geram mais empregos (por unidade de energia produzida) do que as energias de origem fóssil. A Figura 8.1 mostra inúmeros tópicos para todas as energias renováveis. Por exemplo, a produção de etanol no Brasil gera 96 vezes mais empregos do que a produção de petróleo. O mesmo ocorre com medidas de eficiência energética.
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